气动助力机械腿伺服控制研究

论文摘要

康复机器人技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术,是机器人技术在康复领域的新运用。在我国将气动人工肌肉应用于康复领域的研究刚刚起步,因此课题的研究更具有实际意义。本文以采用气动人工肌肉作为驱动器的气动助力机械腿为研究对象,完成了气动助力机械腿的控制策略和算法。最终目标是实现人在穿戴气动助力机械腿步行时行走平稳,降低人在步行时所消耗的能量,促进下肢的康复。具体研究内容如下:首先以气动人工肌肉为研究对象,建立了气动肌肉的静态模型,对气动肌肉的基本特性进行了仿真和实验研究。在实验研究基础上,推导了气动肌肉的实验模型。并建立了气动肌肉驱动关节系统的静动态模型,分析了关节静态特性及各种参数对关节动态特性的影响。在dSPACE实时仿真系统下,针对不同的控制目的,应用变积分控制,前馈非线性PI控制,模糊自整定PI控制对气动肌肉驱动关节位置控制进行了仿真和实验研究,取得了满意的效果。在气动肌肉驱动关节研究基础上,对人体步态进行分析,采用模糊控制策略设计了气动助力机械腿模糊自整定PI控制器,利用dSPACE实时仿真系统进行了气动助力机械腿的实时控制。实时检测气动助力机械腿的状态,调整控制参数,从而更好的实现位置控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 助力机器人国内外研究现状
• 1.3 气动人工肌肉
• 1.3.1 Mckibben型气动人工肌肉
• 1.3.2 气动人工肌肉原理
• 1.3.3 气动人工肌肉的特点
• 1.3.4 气动人工肌肉控制研究现状
• 1.4 论文主要完成工作
• 第2章 气动肌肉模型分析及实验研究
• 2.1 气动肌肉基本模型
• 2.2 气动肌肉基本特性
• 2.2.1 等压特性
• 2.2.2 等长特性
• 2.2.3 等张特性
• 2.2.4 刚度特性
• 2.3 气动实验系统
• 2.3.1 dSPACE实时仿真系统
• 2.3.2 气动回路
• 2.4 气动肌肉实验模型
• 2.4.1 气动肌肉等压特性实验
• 2.4.2 气动肌肉实验模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 气动肌肉驱动关节模型及实验研究
• 3.1 气动肌肉驱动关节静态模型
• 3.1.1 气动肌肉驱动关节基本原理
• 3.1.2 气动肌肉驱动关节静态模型
• 3.2 气动肌肉驱动关节动态模型
• 3.2.1 气动肌肉驱动关节动力学方程
• 3.2.2 气动肌肉驱动关节动态模型
• 3.3 气动肌肉驱动关节仿真研究
• 3.3.1 转动惯量对关节动态特性的影响
• 3.3.2 粘性阻尼系数对关节动态特性的影响
• 3.3.3 初始压力对关节动态特性的影响
• 3.4 气动肌肉驱动关节开环控制
• 3.4.1 气动肌肉驱动关节实验系统
• 3.4.2 气动肌肉驱动关节静态实验
• 3.4.3 气动肌肉驱动关节阶跃响应实验
• 3.5 本章小结
• 第4章 气动肌肉驱动关节位置控制策略研究
• 4.1 气动肌肉驱动关节变积分控制
• 4.1.1 PID控制分析
• 4.1.2 气动肌肉驱动关节积分控制
• 4.1.3 气动肌肉驱动关节变积分控制
• 4.2 气动肌肉驱动关节前馈非线性PI控制
• 4.2.1 整形控制分析
• 4.2.2 气动肌肉驱动关节阶跃响应整形实验
• 4.2.3 气动肌肉驱动关节前馈非线性PI控制
• 4.3 气动肌肉驱动关节模糊自整定PI控制
• 4.3.1 模糊自整定PI控制原理
• 4.3.2 气动肌肉驱动关节模糊自整定PI控制仿真
• 4.3.3 气动肌肉驱动关节模糊自整定PI控制实验
• 4.4 本章小结
• 第5章 气动助力机械腿伺服控制研究
• 5.1 人体步态周期分析
• 5.2 气动助力机械腿总体结构
• 5.3 气动助力机械腿的基本特性实验研究
• 5.3.1 髓关节特性实验
• 5.3.2 膝关节特性实验
• 5.4 气动助力机械腿穿戴实验研究
• 5.4.1 髓关节控制实验
• 5.4.2 膝关节控制实验
• 5.4.3 气动助力机械腿关节联动实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢